Способ функционального диагностирования линейных систем управления

 

Изобретение относится к области автоматики и может найти применение в системах контроля и поиска неисправностей линейных систем автоматического управления. Технический результат заключается в повышении достоверности диагностирования, который достигается за счет того, что используют динамическую модель системы, многократно суммируют и интегрируют входные и выходные сигналы линейных блоков. Сигналы с выхода модели используют для контроля работоспособности всей системы путем сравнения с заранее заданным пороговым значением. 5 ил.

Изобретение относится к области автоматики и может найти применение в системах контроля и поиска неисправностей линейных систем автоматического управления.

Известен способ диагностирования линейных динамических объектов, поиск неисправностей по которому осуществляется в предположении, что в объекте могут иметь место только одиночные неисправности (авторское свидетельство СССР N 1462254, кл. G 05 D 23/02, 1987). Появление кратных дефектов может приводить при реализации данного способа к ошибкам диагностирования.

Наиболее близким к предлагаемому способу техническим решением является способ диагностирования линейных динамических объектов (А. с. СССР N 1300419, кл. G 05 B 23/02, 1987), основанный на использовании контрольного соотношения следующего вида: где a_ki, b_ki коэффициенты передаточной функции 1-го динамического элемента, входящего в диагностируемую систему, вид передаточной функции которого принимается: k максимальный порядок передаточной функции; γ параметр, характеризующий инерционные свойства контрольного устройства; m_i - коэффициенты, определяющие вклад каждого звена в контрольное соотношение.

Применение способа ограничено рассмотрением неисправностей, искажающих один из коэффициентов всей совокупности контролируемых динамических элементов. Однако реальный конструктивный дефект элемента в подавляющем большинстве случаев приводит к одновременному изменению значений нескольких коэффициентов передаточной функции (например, изменение сопротивления изоляции конденсатора ПИ-регулятора приводит к одновременному изменению коэффициента усиления и постоянной времени). Поэтому при отклонении от номинала нескольких коэффициентов возможны ошибки в определении места дефекта.

Реализация для контроля работоспособности соотношения (1) может привести к выводу, что система работоспособна, когда в ней возникают кратные дефекты. Покажем это на примере. Рассмотрим структурную схему системы, представленную на фиг. 1.

Пусть контролируются все три звена с передаточными функциями a₁, a₂, a₃ (безынерционные звенья). В этом случае необходимо контролировать сигналы e x₁, x₂, x₃. Пусть номинальные значения параметров a₁ a₂ a₃ 1. Передаточная функция замкнутой системы Применим контрольное соотношение вида (1), для простоты примем, что контрольное устройство безынерционно ( γ 0): D = (x₁-ε·a₁)+(x₂-x₁·a₂)+(x₃-a₃x₁) (2) Определим реальные сигналы для этого случая:
где g значение входного сигнала.

Подставим полученные значения в соотношение (2):

Пусть теперь в системе возникли кратные дефекты и параметры приняли новые значения
α₁= a₁,α₂= a₂+Δa;α₃= a₃-Δa.
Примем Δa 0,5. Передаточная функция замкнутой системы при наличии двух неисправностей будет иметь значение:

т. е. W₃ > W_3ном и система потеряла работоспособность. Определим реальные сигналы для этого случая

Подставим полученные значения сигналов в контрольное соотношение (2):

Использование контрольного соотношения вида (2) приводит к ошибке контроля. Система считается работоспособной, хотя значение передаточной функции замкнутой системы изменилось на 100%
Легко обобщить полученные результаты и на коэффициенты при ненулевых степенях P (постоянные времени). Появление пары кратных дефектов для постоянных времени также приводит к их компенсации, поскольку в сумму контрольного соотношения соответствующие им слагаемые войдут с противоположными знаками.

Контрольное соотношение в известном способе вычисляется с помощью совокупности интеграторов неограниченное (а значит, длительное время). При наличии дрейфа нулей операционных усилителей и интегрировании ошибок из-за неадекватной объекту модели контрольный параметр может превысить пороговое значение в случае отсутствия дефектов.

Кроме того, известный способ обладает еще одним существенным недостатком, который очевиден из следующих рассуждений.

В выражении (1) примем n 1 (контроль одного звена), γ 0 (безынерционное контрольное устройство). Представим сигнал D в следующем виде:
D = F_ay(t)-F_bx(t), (3)
где y(t) выходной сигнал звена;
x(t) входной сигнал звена;
F_a, F_b линейные операторы следующего вида:

При отсутствии неисправностей в звене и адекватной модели имеем

Пусть изменение технического состояния звена привело к изменению выходного сигнала y' y + Δy.

В этом случае
Δʹ = F_ayʹ-F_bx = F_ay+F_aΔy-F_bx = F_aΔy.
То есть величина контрольного сигнала определяется коэффициентами диагностической модели a_i и сигналом Δy который, в свою очередь, зависит от входного сигнала x. Таким образом, при одном и том же отклонении коэффициентов контролируемого звена от номинала, но для разных уровней входного сигнала значение y будет различно. Это обстоятельство затрудняет использование известного способа для функционального диагностирования. Оптимальным в этом смысле было бы такое контрольное устройство, выходной сигнал которого был бы пропорционален степени отклонения коэффициентов передаточной функции от номинала и не зависел бы от амплитуды входного сигнала.

Техническая задача, на решение которой направлено изобретение, - расширение функциональных возможностей способа и повышение достоверности диагностирования.

Указанная задача решается тем, что в способе функционального диагностирования линейных систем управления, основанном на использовании динамической модели системы, многократном суммировании и интегрировании входных и выходных сигналов линейных блоков, согласно изобретению, фиксируют временной интервал диагностирования Δtg, равный длительности переходного процесса системы, временной интервал Δt, равный наибольшему времени переходного процесса по всей совокупности блоков, подают входной и выходной сигналы замкнутой системы управления на динамическую модель этой системы, сигналы с выхода модели многократно суммируют и интегрируют с нулевыми начальными условиями за время Δtg контрольный сигнал после (m + 1)-го суммирования, где m порядок системы, используют для контроля работоспособности всей системы управления путем сравнения с заранее заданным пороговым значением, перечисленные операции повторяют периодически, в случае превышения контрольным сигналом порогового значения принимают решение о наличии одного или нескольких дефектов в системе, входной и выходной сигналы каждого блока системы подают на его динамическую модель, с выхода которой поочередно суммируют и интегрируют K раз с нулевыми начальными условиями за интервал Δt, определяют для каждого блока значение контрольного сигнала и путем сравнения с пороговым значением определяют наличие дефекта в блоке.

Предлагается новая совокупность действий для решения поставленной задачи расширение функциональных возможностей способа и повышение достоверности диагностирования:
1. Определяют номинальные значения коэффициентов передаточной функции замкнутой системы автоматического управления α_i, β_i и коэффициенты передаточных функций входящих в систему блоков a_ij, b_ij.

2. Определяют длительность переходного процесса системы t_n.

3. С целью исключения влияния дрейфа нуля операционных усилителей интеграторов проверку работоспособности производят периодически с предварительной установкой нулевых начальных условий интеграторов. Время включения интеграторов (длительность вычисления Δ) устанавливают равным длительности переходного процесса t_n, что позволяет учесть все особенности динамики контролируемой системы.

4. Контрольный сигнал D получают путем реализации на интегро-сумматорах соотношения

где F_a, F_b операторы, определяемые выражениями (4).

В выражении (5) в числителе записано контрольное соотношение, используемое в известном способе, а знаменатель может быть представлен в другом виде:

где Y₀(t) значение выходного сигнала при отсутствии неисправностей (поскольку F_aY₀(t)≡ F_b·X(t). Подставляя в (6) и учитывая тождество, получим:

Таким образом, контрольное соотношение (5) представляет собой относительное интегральное изменение выходного сигнала звена, которое уже не зависит от амплитуды входного сигнала, а определяется степенью изменения технического состояния.

Реализация контрольного соотношения представлена на фиг. 2, где 1 - контролируемый блок; 2, 3 блоки, содержащие интегро-сумматоры, реализующие соотношения (4), 4 делительное устройство. На фиг. 3, 4 показана реализация блоков 2 и 3 соответственно.

5. Поиск неисправностей начинают только в том случае, когда значение сигнала Δ по модулю превысило предварительно установленное пороговое значение D_max
6. Поиск неисправностей осуществляют путем поочередного определения контрольных сигналов Δ_i для каждого из звеньев, входящих в систему:

где n число контролируемых динамических элементов.

При превышении Δ_i порогового значения Δ_max считают 1-й элемент неисправным.

7. Время определения контрольного соотношения (время интегрирования) устанавливают равным наибольшей длительности переходного процесса по всей совокупности динамических элементов.

Реализация указанной последовательности действий позволяет определять неисправности произвольной кратности и лучше учитывает особенности проявления дефектов отдельных блоков (при одновременном изменении коэффициентов). Периодичность контроля позволяет устранить накопление погрешностей аналоговыми устройствами схемы контроля.

Сравнение изложенной выше совокупности действий (1 7) над объектом диагностирования с прототипом приводит к выводу, что все 7 операций по отдельности, а значит, тем более и их совокупность, отсутствуют в прототипе и в известном уровне техники.

Способ функционального диагностирования осуществляют следующим образом.

Рассмотрим объект диагностирования со структурной схемой, представленной на фиг. 1. Пусть a_1ном a_2ном a_3ном 1. Номинальное значение передаточной функции замкнутой системы:

При контроле работоспособности системы периодически контролируются сигналы g и x₂ системы, вычисляется контрольное соотношение вида
Δ = (0,5g-x₂)/0,5g. и сравнивается с заранее установленным пороговым значением Δ_max Примем Δ_max= 0,1
Рассмотрим теперь появление в системе кратных дефектов
α₁= a_1ном;α₂= a_2ном+Δa;α₃= a_3ном-Δa,Δa = 0,5
Этот случай был проанализирован ранее применительно к прототипу. Передаточная функция замкнутой системы при наличии дефектов будет иметь значение

Реально контролируемый сигнал в этом случае будет иметь значение:

Подставим эту величину в контрольное соотношение и получим:
Δ = (0,5g-g)/0,5g>Δ_max
Поскольку выносим решение о наличии одного или нескольких дефектов в системе и приступаем к их поиску. Для этого контролируем сигналы ε x₁, x₂, x₃ и подставляем их в соответствующие контрольные соотношения. Реально контролируемые сигналы будут иметь значения:

Подставим полученные значения сигналов в соответствующие контрольные соотношения:

Сравнивая с пороговым значением Δ_max выносим решение о наличии неисправностей в блоках 2 и 3.

Отметим, что значения Δ₂ и Δ₃ при наличии дефектов не зависят от уровня входного сигнала и определяются степенью отклонения коэффициента от номинала.

На фиг. 5 представлены результаты моделирования на ПЭВМ диагностирования объекта, описываемого колебательным звеном с передаточной функцией вида

а в качестве дефекта рассматривалось отклонение постоянной времени T₁ на 100 и 200% На графике по оси абсцисс показана амплитуда входного сигнала, а по оси ординат: Δ₁ максимальное на интервале моделирования значение контрольного сигнала при диагностировании по прототипу; Δ₂ максимальное значение контрольного сигнала при диагностировании по предлагаемому способу. Графики иллюстрируют достоинство предлагаемого способа независимость контрольного сигнала от амплитуды входного сигнала. Зависимости соответствуют отклонению T₁ на 100% зависимости - отклонению T₁ на 200% Таким образом, максимальное значение контрольного сигнала, полученного по предлагаемому способу, не зависит от амплитуды входного сигнала и пропорционально степени отклонения параметра передаточной функции от номинального значения.

Формула изобретения

Способ функционального диагностирования линейных систем управления, основанный на использовании номинальных коэффициентов a_ij, b_ij передаточных функций линейных блоков системы, многократном суммировании и интегрировании входных и выходных сигналов линейных блоков, отличающийся тем, что фиксируют временной интервал диагностирования Δt_g, равный длительности переходного процесса системы, временной интервал диагностирования линейных блоков Δt, равный наибольшему времени переходного процесса по всей совокупности блоков, порядки числителя K_i и знаменателя n_i передаточных функций блоков и всей системы, предварительно определяют номинальные коэффициенты передаточной функции всей системы b_i, a_i как коэффициенты передач интеграторов двух интегросуммирующих блоков, для чего входной сигнал всей системы одновременно подают на первые входы последних K интеграторов первого интегросуммирующего блока, где K порядок числителя передаточной функции всей системы, в качестве коэффициентов передач интеграторов предварительно устанавливаются начальные приближения коэффициентов числителя передаточной функции всей системы, на вторые входы интеграторов подают выходные сигналы предыдущих интеграторов, выходной сигнал последнего интегратора суммируют с входным сигналом замкнутой системы путем подачи его на второй вход сумматора с начальным приближением коэффициента b_k, выходной сигнал всей системы одновременно подают на первые входы последних n интеграторов второго интегросуммирующего блока, где n порядок знаменателя передаточной функции всей системы, в качестве коэффициентов передач интеграторов предварительно устанавливаются начальные приближения коэффициентов знаменателя передаточной функции всей системы, на вторые входы интеграторов подают выходные сигналы предыдущих интеграторов, выходной сигнал последнего интегратора подают на первый вход сумматора, на второй вход которого с коэффициентом передачи, равным начальному приближению a_n, подают выходной сигнал системы, выходные сигналы двух сумматоров подают на входы элемента сравнения, многократно запуская интеграторы с нулевыми начальными условиями на время Δt_g, изменяют коэффициенты передач интеграторов и вторых входов двух сумматоров, добиваясь минимального по модулю значения на выходе элемента сравнения, после чего фиксируют коэффициенты передач интеграторов как номинальные значения коэффициентов передаточной функции всей системы, переходят к определению номинальных коэффициентов передаточных функций отдельных линейных блоков, для чего входной сигнал i-го блока одновременно подают на первые входы последних K_i интеграторов первого интегросуммирующего блока, где K_i порядок числителя передаточной функции блока, в качестве коэффициентов передач интеграторов предварительно устанавливаются начальные приближения коэффициентов числителя передаточной функции i-го блока, на вторые входы интеграторов подают выходные сигналы предыдущих интеграторов, выходной сигнал последнего интегратора суммируют с входным сигналом i-го блока, подаваемым на второй вход сумматора с начальным приближением коэффициента b_iK_i, выходной сигнал i-го блока одновременно подают на первые входы последних n_i интеграторов второго интегросуммирующего блока, где n_i порядок знаменателя передаточной функции i-го блока, в качестве коэффициентов передач интеграторов предварительно устанавливают начальные приближения коэффициентов знаменателя передаточной функции i-го блока, на вторые входы интеграторов подают выходные сигналы предыдущих интеграторов, выходной сигнал последнего интегратора подают на первый вход сумматора, на второй вход которого с коэффициентом передачи, равным начальному приближению a_in_i, подают выходной сигнал i-го блока, выходные сигналы двух сумматоров подают на входы элемента сравнения, многократно запуская интеграторы с нулевыми начальными условиями на время Δt, изменяют коэффициенты передач интеграторов и вторых входов двух сумматоров, добиваясь минимального по модулю значения сигнала на выходе элемента сравнения, после чего фиксируют коэффициенты передач интеграторов как номинальные значения коэффициентов передаточной функции i-го блока, перечисленные операции выполняют для каждого из блоков системы, при диагностировании входной сигнал системы одновременно подают на первые входы последних K интеграторов первого интегросуммирующего блока с коэффициентами, равными коэффициентам b_i числителя передаточной функции замкнутой системы, на вторые входы интеграторов подают выходные сигналы предыдущих интеграторов, выходной сигнал последнего интегратора суммируют с входным сигналом замкнутой системы, подаваемым на второй вход сумматора с коэффициентом b_k, выходной сигнал замкнутой системы одновременно подают на первые входы n интеграторов второго интегросуммирующего блока с коэффициентами a_i, на вторые входы интеграторов подают выходные сигналы предыдущих интеграторов, выходной сигнал последнего интегратора подают на первый вход сумматора, на второй вход которого с коэффициентом a_n подают выходной сигнал, выходные сигналы двух сумматоров подают на входы элемента сравнения, сигнал с выхода элемента сравнения подают на первый вход делительного устройства, на второй вход которого подают сигнал с выхода первого сумматора, выходной сигнал Δ делительного устройства используют для контроля работоспособности всей системы путем сравнения его модуля с заранее заданным пороговым значением, перечисленные операции повторяют периодически, запуская интеграторы на время Dt_g с нулевыми начальными условиями, в случае превышения контрольным сигналом порогового значения переходят к поиску неисправностей, для чего, используя входной и выходной сигналы каждого блока, поочередно определяют их техническое состояние путем реализации за время Δt определенной выше последовательности операций с использованием номинальных коэффициентов a_ij, b_ij передаточных функций.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5